焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要焦?fàn)t的加熱過(guò)程是單個(gè)燃燒室間歇，全爐連續(xù)，受多種因素干擾的熱工過(guò)程。其控制系統(tǒng)是典型的大慣性、非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，因此如何優(yōu)化焦?fàn)t加熱過(guò)程控制、降低煉焦能耗、 確保焦炭均勻穩(wěn)定成熟、 延長(zhǎng)焦?fàn)t使用壽命， 仍然是煉焦業(yè)界重大難題。本文在深入進(jìn)行焦?fàn)t加熱燃燒過(guò)程工藝分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，提出了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300 PLC 對(duì)各類參數(shù)（溫度、壓力和流量等）實(shí)施在線檢測(cè)，并采用MCGS 組態(tài)平臺(tái)完成工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。由于立火道溫度直接測(cè)量很困難，所以根據(jù)蓄

2、熱室頂部溫度建立立火道溫度軟測(cè)量模型，間接測(cè)量立火道溫度。本控制系統(tǒng)滿足了實(shí)際應(yīng)用的需要，對(duì)提高焦?fàn)t生產(chǎn)率和焦炭質(zhì)量, 降低能耗及延長(zhǎng)焦?fàn)t壽命 , 減少煉焦生產(chǎn)中的環(huán)境污染以及改善勞動(dòng)條件具有重要的意義?？梢詾槠髽I(yè)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。I關(guān)鍵詞：焦?fàn)t，軟測(cè)量， MCGS 組態(tài)， PLC ；Coke ovenAbstractThewhich is a single chamber intermittently and a continuous furnace, isdisturbed by many factors .Its control system is a typical of

3、large inertia, nonlinear, andtime-varying complex system. So to ensure the stability of coke evenly ripe and extendthe service life of coke is still a major problem.This passage is about coke oven -depth analysis of combustion process on the basisof the control system in accordancewith the requireme

4、nts of a control system for theoverall structure. System uses a Siemens S7-300 PLC implement online testing onvarious parameters (temperature, pressure and flow, etc.), and complete platformconfiguration which using MCGS process real-time monitoring and control. Becausedirect measurement on flue tem

5、perature is difficult, according to the temperature at thetop of regenerator flue temperature it can establish legislation soft-sensor model to finishan indirect measurement of flue temperature legislation.The control system meets the needs of practical applications, which improving thequality of co

6、ke oven coke productivity, reducing energy consumption and extending thelife of coke oven, What's more, it can reduce environmental pollution in coke productionand improve the working conditionsThis is of great significance. Itcan createsignificant economic and social benefits.IIKey words: coke,

7、 soft measurement, MCGS configuration, PLC;目錄摘 要 .IAbstract .I I第一章 引 言 .11.1研究背景與目標(biāo) .11.2焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r .21.3焦?fàn)t加熱控制方案介紹 .31.4焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 .4第二章焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .62.1焦?fàn)t加熱燃燒工藝過(guò)程 .62.2焦?fàn)t加熱控制的難點(diǎn)分析 .82.3控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及過(guò)程參數(shù)檢測(cè) .92.3.1控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) .92.3.2溫度控制策略設(shè)計(jì) .102.3.3過(guò)程參數(shù)檢測(cè) .112.3.4立火道實(shí)際溫度檢測(cè)方法的確定 .112.4立火道溫度軟測(cè)量 .12

8、2.4.1立火道溫度軟測(cè)量模型的建立 .132.4.2蓄頂溫度檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置 .15第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) .193.1PLC 特點(diǎn)介紹及選型 .19III3.1.1PLC 特點(diǎn)介紹 .193.1.2PLC 選型 .193.2上位機(jī)選取 .213.3熱電偶選型 .213.4控制器 .233.4.1溫度控制器 .233.4.2混煤壓控制器和吸力控制器 .243.5壓力檢測(cè)儀表、流量計(jì)、變送器及執(zhí)行器 .243.5.1壓力檢測(cè)儀表 .243.5.2流量計(jì) .243.5.3變送器 .253.5.4執(zhí)行器 .26第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) .284.1上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) .284.1.1焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面

9、.294.1.2數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面 .304.2下位機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖 .324.3混合煤氣壓力控制回路子程序流程圖 .334.4吸力控制回路子程序流程圖 .33第五章 結(jié)束語(yǔ).35參考文獻(xiàn).37附錄 A 焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面 .39附錄 B PLC 程序 .40IV致 謝46V第一章引言焦炭是煉焦工業(yè)最重要的產(chǎn)品， 大多數(shù)國(guó)家的焦炭90% 以上用于高爐煉鐵， 煉鐵高爐采用焦炭代替木炭， 為現(xiàn)代高爐的大型化奠定了基礎(chǔ)，是冶金史上的一個(gè)重大里程碑；冶煉工業(yè)，少量用于制取碳化鈣、二硫化碳、元素磷等。另外焦炭也可作為制備水煤氣的原料制取合成用的原料氣。為使高爐操作達(dá)到較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，冶煉用焦炭（冶

10、金焦）必須具有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，包括冶煉過(guò)程中的熱態(tài)性質(zhì)。焦?fàn)t是煤化學(xué)工業(yè)中極為重要的工業(yè)爐之一，其加熱燃燒過(guò)程是一個(gè)多變量、非線性、 分布參數(shù)、 快過(guò)程和慢過(guò)程交織在一起的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程, 具有大時(shí)滯、大慣性、強(qiáng)非線性、多因素藕合、變參數(shù)的特點(diǎn)，焦?fàn)t火道溫度穩(wěn)定性直接關(guān)系到焦炭質(zhì)量和爐體壽命。在煉焦廠的總能耗中，焦?fàn)t加熱用的煤氣量約占總能耗的70%。因此，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t加熱燃燒過(guò)程控制，對(duì)于降低焦?fàn)t能耗、提高焦炭質(zhì)量、延長(zhǎng)焦?fàn)t壽命、減少環(huán)境污染和改善勞動(dòng)條件都具有非常重要的意義1 。1.1 研究背景與目標(biāo)焦?fàn)t是冶金工業(yè)中重要的熱工設(shè)備，其生產(chǎn)原理是將煤在隔絕空氣的情況下進(jìn)行高溫干餾從而產(chǎn)生焦

11、炭、煤氣以及焦油等其他有機(jī)化學(xué)副產(chǎn)品。我國(guó)是世界上不折不扣的焦炭生產(chǎn)大國(guó)，也是世界上最大的焦炭出口國(guó)。焦?fàn)t生產(chǎn)出占整個(gè)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)70% 的二次能源，但自身又是一個(gè)耗能大戶。 焦?fàn)t加熱生產(chǎn)還極易給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，如果焦?fàn)t控制不好，焦炭加熱不均勻，就會(huì)局部生焦造成出焦時(shí)冒黑煙，而且加熱煤氣燃燒不完全，也會(huì)產(chǎn)生大量黑煙; 另外焦?fàn)t加熱控制的好壞，對(duì)焦炭質(zhì)量和爐體壽命都有重要直接影響，因此，需要根據(jù)生產(chǎn)條件與客觀變化因素及時(shí)不斷地對(duì)加熱過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到加熱制度合理、爐溫均勻穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)低能耗、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、減少環(huán)境污染和延長(zhǎng)爐體壽命的目的。炭化室煤料干餾過(guò)1程是通過(guò)爐墻傳熱獲取燃燒室的熱量，因

12、此，燃燒室溫度的高低直接影響煤料炭化和焦餅的最終溫度。也可以說(shuō)，燃燒室溫度實(shí)際上代表煉焦溫度。從煉焦工藝過(guò)程出發(fā)，對(duì)此溫度不但要求均勻性，而且要求穩(wěn)定性，此溫度被稱為直行溫度，它準(zhǔn)確是指機(jī)、焦側(cè)各燃燒室平均溫度的控制值。直行溫度代表了全爐溫度情況，控制了直行溫度，也即是控制了煉焦溫度，保證了煉焦工藝過(guò)程對(duì)供熱的需求?，F(xiàn)在很多焦?fàn)t加熱工藝過(guò)程沒(méi)有進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，煤氣流量及分煙道吸力均以人工調(diào)節(jié)為主，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，其控制效果主要依賴于操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人預(yù)測(cè)能力。由于不同班次的測(cè)溫工和調(diào)火工進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)間和力度均不相同，可能造成火道溫度較大波動(dòng)，而超出允許的范圍，造成焦炭質(zhì)量下降和能源浪

13、費(fèi)，也影響焦?fàn)t的使用壽命。1.2 焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r50 年代初，美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)家就已經(jīng)對(duì)焦?fàn)t的操作和控制進(jìn)行了研究，但由于當(dāng)時(shí)的科技水平低，焦?fàn)t的工藝和設(shè)備又很復(fù)雜，故進(jìn)展不大。到了70 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，使焦?fàn)t的計(jì)算機(jī)控制成為可能。自從1973 年日本鋼管公司在福山鋼鐵廠5#焦?fàn)t上首次成功地開(kāi)發(fā)應(yīng)用了焦?fàn)t燃燒控制系統(tǒng)以來(lái)，世界上許多鋼鐵公司已先后開(kāi)發(fā)了10 多種焦?fàn)t加熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，相繼出現(xiàn)了ACCS、 CARPO 、COHC 等各具特色的系統(tǒng)。 工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家投入大量的人力、財(cái)力和物力用于焦?fàn)t計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。相比而

14、言，我們國(guó)家這方面還存在不小的差距。到了 80 年代，我國(guó)很多焦化廠也開(kāi)展了研究工作，均取得了顯著的節(jié)能效果。但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)的焦?fàn)t控制水平較低，還需進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。自90 年代末期以來(lái)由于國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及我國(guó)焦炭產(chǎn)量的大幅增加，由焦炭大國(guó)向焦炭強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的欲望和要求， 廣大的焦化工作者根據(jù)國(guó)內(nèi)焦?fàn)t結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)特點(diǎn)積極開(kāi)發(fā)計(jì)算2機(jī)加熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，所以國(guó)內(nèi)研究快速發(fā)展。無(wú)論控制系統(tǒng)還是控制數(shù)學(xué)模型均充分考慮結(jié)焦特點(diǎn)和先進(jìn)的控制策略，取得較為成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)隨著模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及預(yù)測(cè)控制等人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，也為焦?fàn)t計(jì)算機(jī)控制開(kāi)辟了2,5新的領(lǐng)域。人工智能控

15、制技術(shù)與傳統(tǒng)控制方法相結(jié)合，取得了較好的控制效果.1.3 焦?fàn)t加熱控制方案介紹傳統(tǒng)的控制策略特點(diǎn): 根據(jù)實(shí)測(cè)火道溫度、結(jié)焦終了時(shí)間或焦炭溫度與目標(biāo)火道溫度、 目標(biāo)結(jié)焦終了時(shí)間或目標(biāo)焦餅溫度的偏差, 并考慮爐溫的滯后因素來(lái)調(diào)整爐組加熱煤氣流量的設(shè)定值 , 以實(shí)現(xiàn)爐組加熱的最佳控制。反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)焦化機(jī)理有較深入的研究 , 不需要建立過(guò)程精確的數(shù)學(xué)模型, 不需考慮各種參數(shù)的影響, 利用被控量的偏差進(jìn)行控制, 就能使?fàn)t溫達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。但需要事先確定一個(gè)初始供熱量或加熱煤氣流量的經(jīng)驗(yàn)值, 實(shí)施時(shí)不斷調(diào)整。缺點(diǎn)是對(duì)過(guò)程反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格,不能及時(shí)克服干擾 , 滯后現(xiàn)象嚴(yán)重因?yàn)榉答伩刂?/p>

16、在干擾發(fā)生后才起作用, 且容易產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象。需要采用大量的熱電偶進(jìn)行溫度檢測(cè)這樣會(huì)造成系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用的大量投入。目前 , 一般鋼鐵企業(yè)焦?fàn)t加熱系統(tǒng)在焦?fàn)t加熱能量穩(wěn)定、富裕的情況下能很好地優(yōu)化焦?fàn)t加熱控制。可以在焦?fàn)t加熱智能控制系統(tǒng)采用線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等軟測(cè)量方法 , 建立了立火道溫度軟測(cè)量模型 , 并采用模糊專家控制進(jìn)行焦?fàn)t燃燒加熱過(guò)程優(yōu)化控制系統(tǒng)。焦?fàn)t燃燒加熱控制是以西門(mén)子 WinCC 控制系統(tǒng)為平臺(tái) , 通過(guò) OPC通訊實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和 WinCC 控制平臺(tái)的無(wú)縫連接, 從而實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t加熱智能控制4 。焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)還可以根據(jù)焦?fàn)t調(diào)火經(jīng)驗(yàn)，采取把串級(jí)、前反饋方式結(jié)合起來(lái)，利用串級(jí)控制消

17、除未知的和難以測(cè)量的參數(shù)所產(chǎn)生的各種影響及過(guò)程模型的不準(zhǔn)確部分，同時(shí)對(duì)主要干擾造成的影響及時(shí)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，才能使焦?fàn)t處于最佳工作狀態(tài)。另3外，考慮影響立火道溫度的眾多因素中，除蓄頂溫度是一個(gè)主要因素( 通過(guò)實(shí)測(cè)蓄頂溫度來(lái)擬合成立火道溫度) 外，還受配煤水份、煤氣成分、結(jié)焦時(shí)間等因素影響，尤其在工況不穩(wěn)定時(shí)更為嚴(yán)重， 為保證模型的準(zhǔn)確性， 控制系統(tǒng)中引入了專家系統(tǒng)模型自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。但在高爐煤氣主管壓力劇烈波動(dòng)、加熱煤氣流量不足時(shí) , 不能指導(dǎo)操作人員進(jìn)行加熱控制 , 只能由操作人員人工分析判斷, 同時(shí)停止使用高爐與焦?fàn)t加熱煤氣加熱, 也沒(méi)有充分利用高爐煤氣。焦?fàn)t加熱智能控制系統(tǒng)采用加熱煤氣流量調(diào)節(jié)

18、控制方法, 綜合分析處理荒煤氣溫度、加熱煤氣流量、熱值、 推焦、 平煤、 煤重及水分、計(jì)劃結(jié)焦時(shí)間等數(shù)據(jù) , 通過(guò)該模型計(jì)算并設(shè)定焦?fàn)t交換機(jī)PLC 的“停止加熱時(shí)間” 和儀控 DCS的加熱高爐焦?fàn)t煤氣量 , 使焦?fàn)t加熱均勻穩(wěn)定, 智能控制焦?fàn)t的全爐加熱水平, 實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t加熱的智能控制 4 。1.4 焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想焦?fàn)t燃燒加熱生產(chǎn)中最重要的控制為焦?fàn)t溫度控制，因?yàn)榻範(fàn)t溫度是影響焦炭質(zhì)量、節(jié)約加熱煤氣、減少推焦煙塵污染的關(guān)鍵因素。在相同的結(jié)焦周期中，如果焦?fàn)t溫度過(guò)低則焦炭未完全成熟，焦餅未完全收縮到正常狀態(tài)，焦炭硬度小、密度高，推焦電流大 ; 相反如果在相同的結(jié)焦周期中，焦?fàn)t溫度過(guò)高，焦餅

19、收縮過(guò)頭，焦炭過(guò)于成熟，焦炭硬度高、密度小，推焦電流小，而且引起在推焦過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵量。本文主要對(duì)焦?fàn)t燃燒加熱過(guò)程進(jìn)行機(jī)理分析，實(shí)現(xiàn)各種過(guò)程參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)以及整個(gè)過(guò)程的監(jiān)視; 建立一個(gè)焦?fàn)t加熱燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)，并且從整體上提出控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。該控制系統(tǒng)首先考慮到影響立火道目標(biāo)溫度的許多因素，主要是結(jié)焦時(shí)間、焦餅中心溫度、配合煤水分、每孔裝煤量等因素。分析到這些因素與立火道目標(biāo)溫度的相關(guān)性都很大，采用線性回歸的方法建立火道溫度模型，得到目標(biāo)溫度設(shè)定值。另外通過(guò)實(shí)時(shí)的荒煤氣溫度得到溫度設(shè)定值的修正量，從而獲得最終的目標(biāo)溫度設(shè)定值。4同時(shí)通過(guò)安置在蓄頂?shù)臒犭娕紲y(cè)得蓄頂溫度，利用建立的火道

20、溫度軟測(cè)量模型獲得火道溫度預(yù)測(cè)值。通過(guò)兩者的差值進(jìn)入到火道溫度控制回路進(jìn)行控制，由立火道溫度控制控制器來(lái)給定混合煤氣壓力以及分煙道吸力，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制，從而達(dá)到焦?fàn)t加熱過(guò)程中的最佳燃燒狀態(tài)。5第二章焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焦?fàn)t加熱燃燒過(guò)程中各種溫度、流量、壓力等參數(shù)太多，而其中大部分參數(shù)關(guān)系到加熱燃燒過(guò)程中焦炭成熟的好壞。焦?fàn)t加熱過(guò)程中溫度的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法是每四個(gè)小時(shí)由測(cè)溫工測(cè)得立火道溫度，調(diào)火工根據(jù)這個(gè)溫度和標(biāo)準(zhǔn)的立火道溫度的偏差，做出煤氣量和空氣量調(diào)節(jié)的決定，現(xiàn)場(chǎng)工作人員手工調(diào)節(jié)各個(gè)煤氣閥門(mén)和空氣擋板的開(kāi)度，通過(guò)保證煤氣流量和空氣流量的穩(wěn)定，來(lái)達(dá)到保持立火道溫度穩(wěn)定的目的。但是由于焦?fàn)t

21、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)干擾因素較多，現(xiàn)場(chǎng)工人的經(jīng)驗(yàn)不同，煤氣量和空氣量變化很快，工作人員很難及時(shí)做出反映，因此完全靠人工的調(diào)節(jié)帶有強(qiáng)烈的主觀因素和大滯后，嚴(yán)重影響著焦?fàn)t的生產(chǎn)和焦炭的質(zhì)量。對(duì)于這種情況，建立一個(gè)既實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)視又實(shí)現(xiàn)溫度控制的智能控制控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。深入了解焦?fàn)t生產(chǎn)工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，從整體的角度上提出了控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，通過(guò)西門(mén)子S7-300 系列 PLC 對(duì)各類參數(shù)，包括溫度、流量和壓力等的在線檢測(cè)，以及采用MCGS組態(tài)平臺(tái)對(duì)工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用軟測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)立火道溫度的優(yōu)化控制。2.1 焦?fàn)t加熱燃燒工藝過(guò)程焦?fàn)t是冶金工業(yè)中最復(fù)雜的爐窯之一，焦?fàn)t既是高溫化學(xué)反應(yīng)

22、器，又是十分龐大而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱工設(shè)備。它由多個(gè)炭化室和燃燒室交替配置而成，炭化室和燃燒室僅一墻之隔。炭化室與燃燒室的大小主要由焦?fàn)t的型號(hào)決定的，我國(guó)廣泛使用的是JN 型焦?fàn)t。焦?fàn)t是由一系列的炭化室和燃燒室相互間隔組成，炭化室與燃燒室的底部是蓄熱室。煉焦用煤在炭化室中進(jìn)行干餾; 而加熱煤氣在燃燒室中進(jìn)行燃燒產(chǎn)生熱量使炭化室溫度上升到 1100左右。6炭化室是煤隔絕空氣干餾的地方，燃燒室是煤氣燃燒的地方。每個(gè)燃燒室又包括一定數(shù)量的立火道，其中每?jī)蓚€(gè)立火道作為一對(duì)，組成一個(gè)氣體通路，其兩端分別和下面的蓄熱室相連。煤氣和空氣在眾多的燃燒室立火道內(nèi)混合燃燒，熱廢氣在高溫下以輻射傳熱為主，并伴隨有對(duì)流傳熱

23、的方式，將熱量通過(guò)爐墻傳導(dǎo)給煤料，使煤料依次經(jīng)過(guò)結(jié)焦過(guò)程的各階段而生成焦炭。為使炭化室均勻加熱和充分利用廢氣余熱，利用定時(shí)改變廢氣流向，通過(guò)蓄熱室來(lái)加熱進(jìn)入燃燒室的空氣和煤氣。焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程具有周期性特點(diǎn)。從裝煤到煤完全成熟變?yōu)榻固康臅r(shí)間稱為結(jié)焦周期，可以看出結(jié)焦周期主要與煤的品質(zhì)和炭化室的溫度決定的。一般結(jié)焦周期為18-21個(gè)小時(shí)，如果結(jié)焦周期為21 個(gè)小時(shí)則平均每天有3 個(gè)小時(shí)的焦?fàn)t檢修時(shí)間。同時(shí)，焦?fàn)t的生產(chǎn)是連續(xù)與間歇的結(jié)合，焦?fàn)t炭化室按一定的推焦計(jì)劃定期裝煤、出焦，焦?fàn)t燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)程連續(xù)不斷地進(jìn)行。一般每爐的操作時(shí)間為15 分鐘，為使炭化室均勻加熱，加熱系統(tǒng)定時(shí)改變廢氣流向，同時(shí)，為

24、充分利用廢氣余熱，通過(guò)蓄熱室來(lái)預(yù)熱進(jìn)入燃燒室的空氣 ( 煤氣 ) ，因此焦?fàn)t每隔30 分鐘交換作為煤氣和空氣上升通道的蓄熱室和作為廢氣下降通道的蓄熱室，即進(jìn)行換向（換向時(shí)間大約為30 秒) 。另外，為了使推焦順利，焦?fàn)t炭化室通常為楔形，即焦側(cè)寬度大于機(jī)側(cè)，因此，在對(duì)炭化室加熱時(shí)，焦側(cè)燃燒室的溫度要高于機(jī)側(cè)燃燒室的溫。焦?fàn)t生產(chǎn)的主要燃料是高爐煤氣，在通常情況下，為了提高燃燒熱值，進(jìn)入爐體燃燒的氣體是高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣的混合氣體。兩種氣體從各自管道流入各自蓄熱室預(yù)熱后在燃燒室進(jìn)行混合開(kāi)始燃燒，燃燒釋放出大量的熱能，熱能以多種方式傳遞給爐墻，從而使煤在炭化室內(nèi)高溫密閉干餾，生成焦炭。焦?fàn)t加熱與其他工

25、業(yè)爐不同，裝煤的炭化室與燃燒室相間為鄰，煤氣與空氣在眾多特殊燃燒室的立火道中混合燃燒，通過(guò)爐墻將熱量傳遞給炭化室中的煤料，使之逐漸結(jié)焦而成為焦炭。為使狹長(zhǎng)的炭化室中的煤料均勻獲取熱量，由機(jī)側(cè)和焦側(cè)分別供熱，因7此，一座焦?fàn)t實(shí)際上是兩組加熱爐群的集合體。為使炭化室均勻加熱和充分利用燃燒后的廢氣余熱，利用定時(shí)變更廢氣流向，通過(guò)機(jī)焦二側(cè)蓄熱室，加熱進(jìn)入燃燒室的煤氣與空氣。國(guó)內(nèi)焦?fàn)t均采用自然抽風(fēng)式結(jié)構(gòu)，利用調(diào)節(jié)煙道廢氣流量來(lái)維持爐內(nèi)壓力制度，控制進(jìn)入燃燒室的空氣流量。2.2 焦?fàn)t加熱控制的難點(diǎn)分析焦化熱工過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。對(duì)于這個(gè)過(guò)程的研究，國(guó)內(nèi)外焦化學(xué)者仍在繼續(xù)進(jìn)行研究。在焦化機(jī)理研究中，具

26、體運(yùn)用了煤氣燃燒、氣體動(dòng)力學(xué)和熱傳輸理論。焦?fàn)t對(duì)象具有大慣性和大滯后特性，生產(chǎn)過(guò)程中變量變化劇烈，導(dǎo)致干擾強(qiáng)烈，過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，實(shí)際對(duì)象的模型會(huì)因種種現(xiàn)場(chǎng)工況而發(fā)生變化，焦?fàn)t對(duì)象不是那種單一數(shù)學(xué)模型就可以表示的環(huán)節(jié)，具有一定的不確定性，常規(guī)控制方法難以滿足生產(chǎn)的要求。而焦?fàn)t加熱控制的前提條件就應(yīng)該滿足生產(chǎn)計(jì)劃要求，完成產(chǎn)量，并且保證焦炭質(zhì)量。生產(chǎn)產(chǎn)量決定了焦?fàn)t結(jié)焦時(shí)間， 焦?fàn)t結(jié)焦時(shí)間以及煤和煤氣的特性要求火道溫度應(yīng)達(dá)到一定程度。從這個(gè)意義上講焦?fàn)t加熱控制應(yīng)該在一定范圍內(nèi)保持規(guī)定的爐溫穩(wěn)定。這需要對(duì)影響焦?fàn)t溫度變化的因素有一定認(rèn)識(shí)。另外，焦?fàn)t是一個(gè)大封閉的，散發(fā)腐蝕性物體的系統(tǒng)，而且各炭化室結(jié)焦時(shí)

27、間所處的周期都不一樣，為了較準(zhǔn)確的反映整個(gè)爐組的不同結(jié)焦?fàn)顟B(tài)，對(duì)溫度來(lái)說(shuō)，需要許多測(cè)點(diǎn)來(lái)保證，這樣就導(dǎo)致了溫度測(cè)量的復(fù)雜性。而加熱控制的需要足量、準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量溫度是非常必要的。因此，焦?fàn)t進(jìn)行優(yōu)化燃燒控制的最大難點(diǎn)是溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。82.3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及過(guò)程參數(shù)檢測(cè)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)對(duì)被控對(duì)象的仔細(xì)分析，確定了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-1 所示 :為實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t加熱燃燒自動(dòng)控制，控制系統(tǒng)需要根據(jù)蓄頂實(shí)時(shí)檢測(cè)的溫度，經(jīng)立火道軟測(cè)量模型得到全爐火道的平均溫度，并根據(jù)此預(yù)測(cè)溫度與立火道溫度設(shè)定值之間的偏差，通過(guò)調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣流量或混合煤氣的流量來(lái)改變焦?fàn)t供熱量，以穩(wěn)定爐溫

28、; 為了保證煤氣的合理充分燃燒，仍需調(diào)整分煙道吸力; 同時(shí)當(dāng)焦?fàn)t周轉(zhuǎn)時(shí)間、裝煤爐參數(shù)、焦餅中心溫度調(diào)整時(shí)，立火道目標(biāo)溫度也需要適時(shí)地調(diào)整。立火道溫度軟測(cè)量模型根據(jù)立火道蓄頂溫度預(yù)測(cè)整個(gè)焦?fàn)t爐溫，立火道溫度控制模型是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它是由兩個(gè)控制回路來(lái)完成的。采用混煤壓控制器、分煙道吸力控制器以及溫度控制器，來(lái)保證爐溫的穩(wěn)定及煤氣的充分合理燃燒，獲得平穩(wěn)、合適的立火道溫度。焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)是通過(guò)西門(mén)子S7-300 PLC 系統(tǒng)和由 MCGS 設(shè)計(jì)的監(jiān)控畫(huà)面對(duì)各類參數(shù)（溫度、流量和壓力等）在線檢測(cè)，以及對(duì)工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控的控制系統(tǒng)。9溫度控立火道溫度設(shè)定制器混SP2立火道合吸力控溫度軟罐制器

29、PV3測(cè)量模型蓄頂溫度SP1PV1SP1混煤壓控制器PV2.炭燃炭燃 .炭燃 .焦?fàn)t煤氣化化化焦?fàn)t煤氣室燒室燒室燒焦室室室高爐煤氣爐高爐煤氣混合罐圖 2.1焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)示意圖溫度控制策略設(shè)計(jì)立火道溫度控制分為內(nèi)外兩個(gè)回路: 溫度控制回路和壓力控制回路。溫度控制回路根據(jù)立火道溫度的偏差，修正煤氣流量及吸力給定值，壓力回路穩(wěn)定煤氣流量及分煙道吸力。由于焦?fàn)t燃燒加熱過(guò)程的復(fù)雜性，不可能建立精確溫度與供熱量、供熱量與煤氣流量的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此需要結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)溫度的偏差，算出應(yīng)增加的煤氣供熱量，進(jìn)而給出焦?fàn)t煤氣流量、高爐煤氣流量和吸力的設(shè)定值，同時(shí)由高爐煤氣流量和壓力的關(guān)系，給出混煤壓的設(shè)定值。

30、溫度控制回路為立火道溫度的反饋控制，主要作用是保證立火道溫度穩(wěn)定在給定的目標(biāo)值上。當(dāng)立火道溫度與設(shè)定溫度之間存在偏差時(shí)，溫度控制回路在考慮加熱煤氣種類、熱值等參數(shù)的情況下，設(shè)定爐溫相應(yīng)增減所需改變的煤氣供熱量。由于在煤氣熱值穩(wěn)定的情況下，供熱量取決于煤氣流量的大小，即焦?fàn)t煤氣流量與高爐煤氣流量。在煤氣流量發(fā)生改變時(shí)，為保證煤氣合理地、充分地燃燒，需調(diào)節(jié)空氣供給量。壓力控制回10路主要是針對(duì)焦?fàn)t煤氣和混合煤氣的閥門(mén)開(kāi)度，以及機(jī)側(cè)煙道和焦側(cè)煙道擋板開(kāi)度的反饋控制。通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣閥門(mén)的開(kāi)度，控制煤氣的供熱量為一個(gè)合適的值。為了使煤氣能夠充分燃燒，同時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)側(cè)和焦側(cè)分煙道吸力，保證進(jìn)入燃燒室的煤氣能充分

31、地、合理地燃燒。壓力控制回路包括焦?fàn)t煤氣流量、混煤壓控制器和分煙道吸力控制器，是溫度閉環(huán)控制的基礎(chǔ)。從控制的周期看，溫度控制回路的爐溫控制周期為1 小時(shí)左右，而壓力控制回路的控制周期為十幾秒之內(nèi)，其工作頻率相差很大，因而可將它們看成相互獨(dú)立的部分。過(guò)程參數(shù)檢測(cè)要實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制首先要獲得所必需的過(guò)程參數(shù)的實(shí)時(shí)值，主要是煤氣流量、壓力、吸力、溫度等過(guò)程量的檢測(cè)。本系統(tǒng)需要檢測(cè)到流量參數(shù)有。焦?fàn)t煤氣主管流量、高爐煤氣主管流量、機(jī)側(cè)高爐煤氣流量、焦側(cè)高爐煤氣流量等；所需檢測(cè)的壓力數(shù)據(jù)主要是焦?fàn)t煤氣主管壓力、高爐煤氣主管壓力、機(jī)側(cè)混合煤氣壓力、焦側(cè)混合煤氣壓力，集氣管壓力等； 吸力有機(jī)側(cè)分煙道吸力、

32、焦側(cè)分煙道吸力； 溫度量比較多， 有蓄頂溫度、上升管荒煤氣溫度等。立火道實(shí)際溫度檢測(cè)方法的確定焦?fàn)t直行溫度獲取的方法有兩種: 一種是直接法，即通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)定燃燒室標(biāo)準(zhǔn)火道溫度，分別將全爐焦側(cè)和機(jī)側(cè)所有燃燒室溫度平均后，作為當(dāng)前的焦側(cè)直行溫度和機(jī)側(cè)直行溫度，原來(lái)就是每隔4 小時(shí)測(cè)溫工通過(guò)這種方法獲取直行溫度。另一種是間接法，通過(guò)在一定數(shù)量的機(jī)焦側(cè)蓄熱室頂部插入熱電偶，由火道溫度軟測(cè)量模型，得到焦側(cè)直行溫度和機(jī)側(cè)直行溫度。11由于紅外線測(cè)溫儀采用人工離線操作，人工測(cè)量差異而且測(cè)量結(jié)果具有較大滯后，無(wú)法滿足焦?fàn)t燃燒實(shí)時(shí)控制的要求。所以，通過(guò)建立火道溫度軟測(cè)量模型，由熱電偶測(cè)量的實(shí)時(shí)蓄頂溫度計(jì)算出

33、直行溫度，對(duì)于實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t燃燒自動(dòng)控制是非常重要和必不可少的。由于蓄熱室氣流與立火道氣流存在前后相接關(guān)系，兩者的溫度也存在某種特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以可以通過(guò)檢測(cè)蓄熱室的溫度以代替對(duì)立火道溫度的直接測(cè)量，即立火道溫度的軟測(cè)量。2.4 立火道溫度軟測(cè)量隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)過(guò)程的日益復(fù)雜，為確保生產(chǎn)裝置安全、高效地運(yùn)行，需要對(duì)與系統(tǒng)的穩(wěn)定及產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的重要過(guò)程變量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和優(yōu)化控制。如果待檢測(cè)變量難以實(shí)時(shí)測(cè)量或者測(cè)量成本太高，傳統(tǒng)的測(cè)量方法就無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要。軟測(cè)量技術(shù)正是在上述背景下產(chǎn)生的，它通過(guò)選擇與被估計(jì)變量相關(guān)的一組可測(cè)變量，構(gòu)造某種以可測(cè)變量為輸入、被估計(jì)變量為輸出的數(shù)學(xué)

34、模型，用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)重要過(guò)程變量的估計(jì)。這類數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件也被稱為軟測(cè)量器或軟儀表。軟測(cè)量器估計(jì)值可作為控制系統(tǒng)的被控變量或反映過(guò)程特征的工藝參數(shù)，為優(yōu)化控制與決策提供重要的信息。在焦?fàn)t生產(chǎn)中，立火道溫度就是這樣一個(gè)待檢測(cè)的過(guò)程變量。為了實(shí)現(xiàn)立火道溫度的控制，必須要準(zhǔn)確的測(cè)量立火道的溫度。但是立火道溫度檢測(cè)具有溫度高、內(nèi)封閉的特性，很難測(cè)量。目前檢測(cè)焦?fàn)t立火道溫度的主要方法是在焦?fàn)t適當(dāng)?shù)胤桨惭b熱電偶，以熱電偶實(shí)測(cè)溫度間接反映焦?fàn)t的立火道溫度。因此建立基于蓄頂溫度的立火道溫度軟測(cè)量模型可以避免直接測(cè)量立火道的高溫，如果模型足夠準(zhǔn)12確，還可以減少熱電偶的安裝數(shù)目，大大降低投資，更

35、重要的是為溫度控制提供參考依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t燃燒加熱的自動(dòng)控制。高爐煤氣流量，壓力測(cè)量焦?fàn)t煤氣流量，壓力測(cè)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)焦?fàn)t煤上焦?fàn)t煤執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣閥門(mén)上氣閥門(mén)位位混合煤機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)蓄頂溫度機(jī)氣閥門(mén)焦?fàn)tMCGS立火道溫度設(shè)定值溫度控SP1MCGS焦?fàn)t下溫度控下制器位制器SP2位機(jī)煙道擋機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)煙道擋PLCPLC執(zhí)行機(jī)構(gòu)板板煙道吸力測(cè)量立火道溫度軟測(cè)量圖 2.2 溫度控制系統(tǒng)示意圖在圖 2.2 中，從煉焦工藝出發(fā)，詳細(xì)分析了影響焦?fàn)t立火道溫度的各種因素，在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出建立立火道溫度的軟測(cè)量模型，它以蓄熱室頂部溫度為輔助變量，建立多元線性回歸模型和一元回歸模型，為了提高立火道溫度軟測(cè)量的準(zhǔn)確度，充分考慮工藝特點(diǎn)，對(duì)多元線性回歸模型和一元回歸模型進(jìn)行優(yōu)化組合，建立了線性回歸子模型。模型權(quán)值的在線自修正機(jī)制可以保證軟測(cè)量模型具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和